EP0665941B1 - Wärme- und kältemaschine - Google Patents

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EP0665941B1
EP0665941B1 EP94926850A EP94926850A EP0665941B1 EP 0665941 B1 EP0665941 B1 EP 0665941B1 EP 94926850 A EP94926850 A EP 94926850A EP 94926850 A EP94926850 A EP 94926850A EP 0665941 B1 EP0665941 B1 EP 0665941B1
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EP
European Patent Office
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heat
housing
working volume
dividing wall
heating
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EP94926850A
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Peter Hofbauer
Klaus Heikrodt
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Robert Bosch GmbH
Viessmann Werke GmbH and Co KG
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Robert Bosch GmbH
Viessmann Werke GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/044—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
    • F02G1/0445—Engine plants with combined cycles, e.g. Vuilleumier
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F02G1/053—Component parts or details
    • F02G1/057—Regenerators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2250/00—Special cycles or special engines
    • F02G2250/18—Vuilleumier cycles

Definitions

  • the invention relates to a regenerative Gas cycle heat and chiller working with two In a pressure-tight housing, the piston moves linearly together limit a warm work volume and of which the one piston in the housing is a hot one, with warmth applied working volume and the other piston cold working volume limited, the three Working volumes with the interposition of regenerators and heat exchangers are interconnected and a Drive and / or a control for the pistons provided is, and wherein the hot working volume, the heat is supplied via a partition which also forms part of a pressure-tight housing.
  • U.S. Patent No. 5,214,923 discloses a Vuilleumier heat pump described, consisting essentially of a double-walled cylindrical housing is constructed, the inner Cylinder chamber takes up the two displacement pistons while in the outer cylinder space that the individual working volumes assigned regenerators and heat exchangers are.
  • the object is a heat and Chiller of the type defined in the beginning to further develop that there is a good entry of heat into the hot working volume with small external dimensions and high Compressive strength of the components involved results in that a little to improve heat transfer Should have wall thickness.
  • the solution to this problem by the invention is characterized in that the partition as rotationally symmetrical conic section, in particular hemisphere, executed and connected to the housing in a heat-insulating manner and that a heat generator is provided, the one Has reaction surface that the operation of the Heat generator glows, so that a large part of the entered Heat is transmitted through radiation.
  • the shape of the partition is obtained with high compressive strength heat transfer surface on the one hand given Outside dimensions large surface and on the other hand the Possibility to choose a small wall thickness to the To improve heat input. Due to the thermal insulation of the arched partition opposite the housing becomes a Efficient heat dissipation from the partition prevented in the housing and thus to the environment. Of the Heat generator for the heat to be entered has a Reaction surface on the operation of the heat generator glows. This means that a large part of the heat to be introduced is removed Radiation transmitted, which changes the dimensions of the can reduce the heating and cooling machine according to the invention.
  • the hot piston according to the invention one adapted to the contour of the curved partition Piston bottom executed, whereby by the curvature of the Piston bottom with the same strength at the same time Wall thickness can be reduced so that the weight of the hot Piston can be reduced.
  • the machine shown in longitudinal section in Fig. 1 comprises a pressure-tight housing 1 designed as a circular cylinder, which is provided with a flange la at one end, to which a motor housing 2 with a corresponding flange 2a is screwed on.
  • the motor housing 2 is only partially shown.
  • the pressure-tight housing 1 with one Provided housing cover 4, which in the exemplary embodiment Thread is screwed to the cylindrical housing 1 and in which a heat generator in the form of a gas burner 5 is arranged.
  • This gas burner comprises a cylindrical one Supply pipe 5a for the fuel gas, the outlet side with a metering hemisphere 5b is provided.
  • Concentric too this dosing hemisphere 5b is a reaction surface acting burner surface 5c made of a stainless steel mesh arranged, which limits the gas inflow chamber and at Operation of the gas burner glows, so that the gas burner 5 one Most of the heat generated is emitted by radiation.
  • the resulting flue gases become hemispherical Burner surface 5c surrounding combustion chamber 5d through an exhaust pipe 5e deducted, the supply pipe 5a of the gas burner 5 concentric surrounds.
  • the heat generated by the gas burner 5 is generated by radiation and Convection given to a partition 6, which is rotationally symmetrical Conic section, in the embodiment as Hemisphere is designed and located inside the case 1 bulges.
  • a partition 6, which is rotationally symmetrical Conic section, in the embodiment as Hemisphere is designed and located inside the case 1 bulges.
  • the partition designed as part of the pressure-tight housing 1 6 is attached to a support ring 6a, which has a membrane-like extension 6b with the end of the cylindrical Housing 1 is connected. In the embodiment both connections by welding.
  • Isolation rings 7a and 7b each on one side of the membrane-like extension 6b on the one hand to the housing cover 4 and on the other hand to the housing 1, the Heat dissipation from that heated by the gas burner 5 Partition 6 to the housing 1 and its housing cover 4 and thus significantly reduced to the environment.
  • the heat generated by the gas burner 5 and absorbed by the partition is given off from the inside of the partition 6 to a working medium, preferably helium, which is in a hot working volume V h .
  • This hot working volume is limited on the one hand by the partition 6 and on the other hand by the piston crown 8a of a piston 8 which is arranged in the housing 1 so as to be linearly movable.
  • This piston 8 is connected via a piston rod 8b to a motor or controller arranged in the motor housing 2, which are not shown in the drawing.
  • These three volumes are interconnected with the interposition of regenerators R h , R k and heat exchangers W w , W k .
  • the regenerator R h arranged in the hot part of the housing 1 stores part of the heat given off to the hot working volume V h during the course of the regenerative gas cycle process; the regenerator R k arranged in the cold part of the housing 1 performs the corresponding function with regard to the cold working volume V k .
  • the heat exchanger W k which is arranged in a stationary manner on the base 3 within the cold piston 9, is continuously supplied with a medium taken from the environment via a line 3 a arranged in the base 3, which medium is returned to the environment via a line 3 b after a portion of its heat content has been extracted becomes.
  • the heat exchanger W w is fed through connecting lines 10a, 10b with a heat transfer medium, the heating of which, when the machine is used, serves as a heat machine for generating energy.
  • the curvature of the partition 6 into the interior of the pressure-tight housing 1 not only results in an increased compressive strength due to the geometric shape, which enables a reduction in the wall thickness of the partition 6 belonging to the pressure-tight housing 1, but also an increase in the heat-transferring area between the gas burner 5 and the hot working volume V h .
  • the small wall thickness of the partition 6 improves the heat transfer from the gas burner 5 to the working medium V h in the hot working volume.
  • the heat insulation formed in the exemplary embodiment by the insulating rings 7a and 7b and the membrane-like extension 6b between the partition wall 6 and the housing 1 simultaneously reduces heat dissipation from the partition wall 6 into the housing 1 and thus to the environment, which results in a further improvement in efficiency.
  • the shape of the piston crown 8a of the hot piston 8 is adapted to the shape of the curved partition 6.
  • the shape of the piston crown 8a of the hot piston 8 is adapted to the shape of the curved partition 6.
  • FIG. 1 shows an alternative or additional possibility for improving the heat transfer from the inner wall of the partition 6 to the working medium located in the hot working volume V h in the form of a guide plate 11 arranged in the edge region of the partition 6.
  • This guide plate 11 forms in the edge region of the Partition 6 flow channels with a small flow cross-section, so that the working medium leaving the hot working volume V h is passed at high flow velocity over the edge region of the partition 6 before the working medium enters the regenerator R h .
  • This measure is also associated with an improvement in efficiency.
  • baffle 11 is also enlarged representation of a partition 6 according to the second 2 according to the embodiment.
  • This alternative Embodiment also shows on the outside of the arched partition 6 arranged baffles 12 through which the flue gases leaving the combustion chamber 5d are forced to high flow velocity over the majority of the outside Surface of the partition 6 to flow, so that a good transfer of heat from the heat-emitting flue gas to the heat-absorbing partition 6 sets.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine mit zwei in einem druckdichten Gehäuse (1) linear beweglichen Kolben (8, 9), die gemeinsam ein warmes Arbeitsvolumen (Vw) begrenzen und von denen der eine Kolben (8) im Gehäuse (1) ein heißes, mit Wärme beaufschlagtes Arbeitsvolumen (Vh) und der andere Kolben (9) ein kaltes Arbeitsvolumen (Vk) begrenzt, wobei die drei Arbeitsvolumina (Vh, Vw, Vk) unter Zwischenschaltung von Regeneratoren (Rh, Rk) und Wärmeübertragern (Ww, Wk) miteinander verbunden sind. Um bei geringen Außenabmessungen und ausreichend hoher Druckfestigkeit einen guten Wärmeeintrag zu ermöglichen, wird dem heißen Arbeitsvolumen (Vh) die Wärme über eine zugleich einen Teil des druckdichten Gehäuses (1) bildende, gewölbte Trennwand (6) zugeführt, die als rotationssymmetrisches Gewölbe ausgeführt und mit dem Gehäuse (1) wärmeisolierend verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine mit zwei in einem druckdichten Gehäuse linear beweglichen Kolben, die gemeinsam ein warmes Arbeitsvolumen begrenzen und von denen der eine Kolben im Gehäuse ein heißes, mit Wärme beaufschlagtes Arbeitsvolumen und der andere Kolben ein kaltes Arbeitsvolumen begrenzt, wobei die drei Arbeitsvolumina unter Zwischenschaltung von Regeneratoren und Wärmeübertragern miteinander verbunden sind und ein Antrieb und/oder eine Steuerung für die Kolben vorgesehen ist, und wobei dem heißen Arbeitsvolumen die Wärme über eine zugleich einen Teil eines druckdichten Gehäuses bildende Trennwand zugeführt wird.
Derartige, beispielsweise nach dem Stirling- oder Vuilleumier-Kreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschinen sind seit langer Zeit bekannt, beispielsweise aus der GB-PS 136 195. Sie haben jedoch trotz der unbestreitbaren Vorteile der regenerativen Gaskreisprozesse keinen Eingang in die Praxis gefunden, hauptsächlich wegen konstruktiver Schwierigkeiten, die die Realisierung der theoretischen Vorteile derartiger Maschinen in der Praxis bisher verhinderten. Auch jüngere Veröffentlichungen, beispielsweise die EP 238 707 A2 befassen sich mehr mit theoretischen Überlegungen als praktischen Ausgestaltungen derartiger Wärme- und Kältemaschinen.
In der US-PS 5 214 923 wird eine Vuilleumier-Wärmepumpe beschrieben, die im wesentlichen aus einem doppelwandigen zylindrischen Gehäuse aufgebaut ist, wobei der innere Zylinderraum die beiden Verdrängerkolben aufnimmt, während im äußeren Zylinderraum die den einzelnen Arbeitsvolumina zugeordneten Regeneratoren und Wärmetauscher angeordnet sind.
Um eine über Prototypen hinausgehende industrielle Herstellung derartiger im Alltagsbetrieb einsetzbarer Wärme- und Kältemaschinen zu ermöglichen, ist es erforderlich, die Einzelkomponenten dieser Maschine zu optimieren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärme- und Kältemaschine der eingangs definierten Art derart weiterzubilden, daß sich ein guter Eintrag der Wärme in das heiße Arbeitsvolumen bei geringen Außenabmessungen und hoher Druckfestigkeit der beteiligten Bauteile ergibt, die zudem zur Verbesserung der Wärmeübertragung eine geringe Wandstärke aufweisen sollen.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand als rotationssymmetrischer Kegelschnitt, insbesondere Halbkugel, ausgeführt und mit dem Gehäuse wärmeisolierend verbunden ist und daß ein Wärmeerzeuger vorgesehen ist, der eine Reaktionsoberfläche aufweist, die beim Betrieb des Wärmeerzeugers glüht, so daß ein Großteil der einzutragenden Wärme durch Strahlung übertragen wird.
Durch die als rotationssymmetrischer Kegelschnitt ausgeführte Form der Trennwand ergibt sich bei hoher Druckfestigkeit der wärmeübertragenden Fläche einerseits eine bei gegebenen Außenabmessungen große Oberfläche und andererseits die Möglichkeit, eine geringe Wandstärke zu wählen, um den Wärmeeintrag zu verbessern. Durch die Wärmeisolierung der gewölbten Trennwand gegenüber dem Gehäuse wird eine den Wirkungsgrad verschlechternde Wärmeableitung von der Trennwand in das Gehäuse und damit an die Umgebung verhindert. Der Wärmeerzeuger für die einzutragende Wärme weist eine Reaktionsoberfläche auf, die beim Betrieb des Wärmeerzeugers glüht. Damit wird ein Großteil der einzutragenden Wärme durch Strahlung übertragen, wodurch sich die Abmessungen der erfindungsgemäßen Wärme- und Kältemaschine verringern lassen.
Zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, auf der Außen- und/oder Innenseite der Trennwand oberflächenvergrößernde Rippen anzuordnen.
Darüberhinaus ist es auch möglich, am Randbereich der Außenseite der Trennwand durch Rippen oder Leitbleche gebildete Strömungskanäle anzuordnen. Damit wird die Strömungsgeschwindigkeit des wärmeabgebenden Mediums erhöht und der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung verbessert.
Um Toträume zwischen dem heißen Kolben und der Trennwand für den Wärmeeintrag zu minimieren, und den Wärmeübergang von der Trennwand auf das Arbeitsmedium im heißen Arbeitsvolumen zu verbessern, wird der heiße Kolben erfindungsgemäß mit einem der Kontur der gewölbten Trennwand angepaßten Kolbenboden ausgeführt, wobei sich durch die Wölbung des Kolbenbodens bei gleicher Festigkeit zugleich dessen Wandstärke verringern läßt, so daß das Gewicht des heißen Kolbens herabgesetzt werden kann.
Mit der Erfindung wird schließlich vorgeschlagen, die Innenseite der Trennwand im Randbereich mit die Strömungsgeschwindigkeit erhöhenden Strömungskanälen, die beispielsweise durch Rippen oder Leitbleche gebildet werden, zu versehen, um hierdurch die Wärmeabgabe von der Trennwand an das Arbeitsmedium weiter zu verbessern.
Durch die erfindungsgemäße Weiterbildung einer Wärme- und Kältemaschine im Bereich des Eintrags der von einem Wärmeerzeuger erzeugten Wärme in das im heißen Arbeitsvolumen befindliche Arbeitsmedium wird eine praxisgerechte Konstruktion geschaffen, die einerseits den Wirkungsgrad der Wärme- und Kältemaschine erhöht und andererseits eine industrielle Fertigung derartiger Maschinen ermöglicht.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärme- und Kältemaschine dargestellt, und zwar zeigen:
Fig. 1
einen Längsschnitt durch den die beiden Kolben und das druckdichte Gehäuse umfassenden Teil der Maschine und
Fig. 2
eine vergrößert dargestellte Schnittdarstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Trennwand.
Die in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellte Maschine umfaßt ein als Kreiszylinder ausgebildetes druckdichtes Gehäuse 1, das an seinem einen Ende mit einem Flansch la versehen ist, an den ein Motorgehäuse 2 mit einem entsprechenden Flansch 2a angeschraubt wird. Das Motorgehäuse 2 ist nur zum Teil dargestellt. Zwischen den Flanschen la und 2a ist ein druckfester Boden 3 angeordnet, der das eine Ende des Gehäuses 1 abschließt.
Am anderen Ende ist das druckdichte Gehäuse 1 mit einem Gehäusedeckel 4 versehen, der beim Ausführungsbeispiel über Gewinde mit dem zylindrischen Gehäuse 1 verschraubt ist und in den ein Wärmeerzeuger in Form eines Gasbrenners 5 angeordnet ist. Dieser Gasbrenner umfaßt ein zylindrisches Zufuhrrohr 5a für das Brenngas, das austrittsseitig mit einer Dosierhalbkugel 5b versehen ist. Konzentrisch zu dieser Dosierhalbkugel 5b ist eine als Reaktionsoberfläche wirkende Brenner fläche 5c aus einem Edelstahlgewebe angeordnet, die die Gaszuströmkammer begrenzt und beim Betrieb des Gasbrenners glüht, so daß der Gasbrenner 5 einen Großteil der erzeugten Wärme durch Strahlung abgibt. Die entstehenden Rauchgase werden aus einem die halbkugelförmige Brennerfläche 5c umgebenden Brennraum 5d durch ein Abgasrohr 5e abgezogen, das das Zufuhrrohr 5a des Gasbrenners 5 konzentrisch umgibt.
Die vom Gasbrenner 5 erzeugte Wärme wird durch Strahlung und Konvektion an eine Trennwand 6 abgegeben, die als rotations-symmetrischer Kegelschnitt, beim Ausführungsbeispiel als Halbkugel ausgeführt ist und sich in das Innere des Gehäuses 1 wölbt. Beim Ausführungsbeispiel verläuft die halbkugelförmige Wölbung mit gleichbleibendem Abstand zur halbkugelförmigen Brennerfläche 5c des Gasbrenners 5.
Die als Teil des druckdichten Gehäues 1 ausgeführte Trennwand 6 ist an einem Tragring 6a befestigt, der über eine membranartige Verlängerung 6b mit dem Ende des zylindrischen Gehäuses 1 verbunden ist. Beim Ausführungsbeispiel erfolgen beide Verbindungen durch Verschweißen. Durch Verwendung von Isolierringen 7a und 7b, die jeweils auf einer Seite der membranartigen Verlängerung 6b einerseits zum Gehäusedeckel 4 und andererseits zum Gehäuse 1 angeordnet sind, wird die Wärmeableitung von der durch den Gasbrenner 5 beheizten Trennwand 6 an das Gehäuse 1 und dessen Gehäusedeckel 4 und damit an die Umgebung erheblich reduziert.
Die vom Gasbrenner 5 erzeugte und von der Trennwand aufgenommene Wärme wird von der Innenseite der Trennwand 6 an ein Arbeitsmedium, vorzugsweise Helium abgegeben, das sich in einem heißen Arbeitsvolumen Vh befindet. Dieses heiße Arbeitsvolumen wird einerseits durch die Trennwand 6 und andererseits durch den Kolbenboden 8a eines Kolbens 8 begrenzt, der linear beweglich im Gehäuse 1 angeordnet ist. Dieser Kolben 8 ist über eine Kolbenstange 8b mit einem im Motorgehäuse 2 angeordneten Motor bzw. einer Steuerung verbunden, die auf der Zeichnung nicht dargestellt sind.
Der Kolben 8 begrenzt gemeinsam mit einem weiteren Kolben 9 ein warmes Arbeitsmedium Vw. Der ebenfalls linear beweglich im Gehäuse 1 geführte Kolben 9 begrenzt in seinem Inneren schließlich ein kaltes Arbeitsvolumen Vk. Diese drei Volumina sind miteinander unter Zwischenschaltung von Regeneratoren Rh, Rk und Wärmeübertragern Ww, Wk verbunden. Der im heißen Teil des Gehäues 1 angeordnete Regenerator Rh speichert beim Ablauf des regenerativen Gaskreisprozesses einen Teil der an heiße Arbeitsvolumen Vh abgegebenen Wärme; der im kalten Teil des Gehäuses 1 angeordnete Regenerator Rk übt die entsprechende Funktion bezüglich des kalten Arbeitsvolumens Vk aus.
Dem bein Ausführungsbeispiel innerhalb des kalten Kolbens 9 ortsfest auf dem Boden 3 angeordneten Wärmeübertrager Wk wird über eine im Boden 3 angeordnete Leitung 3a ein aus der Umgebung entnommenes Medium kontinuierlich zugeführt, das nach Entzug eines Teils seines Wärmeinhalts über eine Leitung 3b in die Umgebung zurückgeführt wird. Der Wärmetauscher Ww wird durch Anschlußleitungen 10a,10b mit einem Wärmeträgermedium beschickt, dessen Aufheizung bei der Verwendung der Maschine als Wärmemaschine der Energieerzeugung dient.
Durch die Wölbung der Trennwand 6 in das Innere des druckdichten Gehäuses 1 ergibt sich nicht nur eine durch die geometrische Form gesteigerte Druckfestigkeit, die eine Verringerung der Wandstärke der zum druckdichten Gehäuse 1 gehörenden Trennwand 6 ermöglicht, sondern auch eine Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche zwischen dem Gasbrenner 5 und dem heißen Arbeitsvolumen Vh. Die geringe Wandstärke der Trennwand 6 verbessert hierbei den Wärmeübergang vom Gasbrenner 5 auf das im heißen Arbeitsvolumen Vh befindliche Arbeitsmedium. Die beim Ausführungsbeispiel durch die Isolierringe 7a und 7b sowie die membranartige Verlängerung 6b gebildete Wärmeisolierung zwischen Trennwand 6 und Gehäuse 1 reduziert gleichzeitig eine Wärmeableitung von der Trennwand 6 in das Gehäuse 1 und damit an die Umgebung, wodurch sich eine weitere Wirkungsgradverbesserung ergibt.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist die Form des Kolbenbodens 8a des heißen Kolbens 8 der Form der gewölbten Trennwand 6 angepaßt. Hierdurch lassen sich nicht nur Toträume zwischen der Trennwand 6 und dem heißen Kolben 8 auf ein Minimum reduzieren, wenn sich der heiße Kolben 8 in seiner der Trennwand 6 benachbarten Endstellung befindet; gleichzeitig wird durch diese angepaßte Formgebung eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und damit ein besserer Wärmeübergang erzielt, wenn bei Ablauf des Kreisprozesses das Arbeitsmedium aus dem sich verkleinernden heißen Arbeitsvolumen Vh über den Regenerator Rh und dem Wärmeübertrager Ww in den Raum für das warme Arbeitsvolumen Vw strömt, das zwischen den beiden Kolben 8 und 9 gebildet wird.
Da durch die der Trennwand 6 angepaßte Wölbung des Kolbenbodens 8a aufgrund hierdurch erzeugter höherer Formstabilität auch die Wandstärke des Kolbenbodens 8a reduziert werden kann, werden weiterhin Verluste durch Ableitung von Wärme aus dem heißen Arbeitsvolumen Vh über den heißen Kolben 8 reduziert.
Um die einerseits der Wärmeaufnahme und andererseits der Wärmeabgabe dienende Oberfläche der Trennwand 6 zu vergrößern, kann diese auf ihrer Außen- und/oder Innenseite mit oberflächenvergrößernden Rippen versehen sein. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt eine alternative oder zusätzliche Möglichkeit zur Verbesserung des Wärmeüberganges von der Innenwand der Trennwand 6 auf das im heißen Arbeitsvolumen Vh befindliche Arbeitsmedium in Form eines im Randbereich der Trennwand 6 angeordneten Leitbleches 11. Dieses Leitblech 11 bildet im Randbereich der Trennwand 6 Strömungskanäle mit kleinem Strömungsquerschnitt, so daß das das heiße Arbeitsvolumen Vh verlassende Arbeitsmedium mit hoher Strömungsgeschwindigkeit über den Randbereich der Trennwand 6 geführt wird, bevor das Arbeitsmedium in den Regenerator Rh eintritt. Auch mit dieser Maßnahme ist eine Wirkungsgradverbesserung verbunden.
Die Anordnung eines derartigen Leitbleches 11 ist auch der vergrößerten Darstellung einer Trennwand 6 gemäß der zweiten Ausführungsform nach Fig. 2 zu entnehmen. Diese alternative Ausführungsform zeigt weiterhin auch auf der Außenseite der gewölbten Trennwand 6 angeordnete Leitbleche 12, durch die die den Brennraum 5d verlassenden Rauchgase gezwungen werden, mit hoher Strömungsgeschwindigkeit über den Großteil der außenliegenden Oberfläche der Trennwand 6 zu strömen, so daß sich ein guter Übergang der Wärme vom wärmeabgebenden Rauchgas an die wärmeaufnehmende Trennwand 6 einstellt.
Bezugszeichenliste
1
Gehäuse
1a
Flansch
2
Motorgehäuse
2a
Flansch
3
Boden
3a
Leitung
3b
Leitung
4
Gehäusedeckel
5
Gasbrenner
5a
Zufuhrrohr
5b
Dosierhalbkugel
5c
Brenner fläche
5d
Brennraum
5e
Abgasrohr
6
Trennwand
6a
Tragring
6b
Verlängerung
7a
Isolierring
7b
Isolierring
8
heißer Kolben
8a
Kolbenboden
8b
Kolbenstange
9
kalter Kolben
10a
Anschlußleitung
10b
Anschlußleitung
11
Leitblech
12
Leitblech
Vh
heißes Arbeitsvolumen
Vw
warmes Arbeitsvolumen
Vk
kaltes Arbeitsvolumen
Rh
heißer Regenerator
Rk
kalter Regenerator
Ww
Wärmeübertrager
Wk
Wärmeübertrager

Claims (7)

  1. Nach einem regenerativen Gasprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschine mit zwei in einem druckdichten Gehäuse (1) linear beweglichen Kolben (8, 9), die gemeinsam ein warmes Arbeitsvolumen (Vw) begrenzen, von denen der eine Kolben (8) im Gehäuse (1) ein heißes, mit Wärme beaufschlagtes Arbeitsvolumen (Vh) und der andere Kolben (9) ein kaltes Arbeitsvolumen (Vk) begrenzt, wobei die drei Arbeitsvolumina (Vh, Vw, Vk) unter Zwischenschaltung von Regeneratoren (Rh, Rk) und Wärmeübertragern (WW, Wk) miteinander verbunden sind und ein Antrieb und/oder eine Steuerung für die Kolben (8, 9) vorgesehen ist, und daß dem heißen Arbeitsvolumen (Vh) die Wärme über eine zugleich einen Teil eines druckdichten Gehäuses (1) bildende Trennwand (6) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (6) als rotationssymmetrischer Kegelschnitt, insbesondere Halbkugel, ausgeführt und mit dem Gehäuse (1) wärmeisolierend verbunden ist, und daß ein Wärmeerzeuger (5) vorgesehen ist, der eine Reaktionsoberfläche (5c) aufweist, die beim Betrieb des Wärmeerzeugers (5) glüht, so daß ein Großteil der einzutragenden Wärme durch Strahlung übertragen wird.
  2. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (6) auf ihre Außen- und/oder Innenseite mit oberflächenvergrößernden Rippen versehen ist.
  3. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Randbereich der Außenseite der Trennwand (6) mit die Strömungsgeschwindigkeit des wärmeabgebenden Mediums erhöhenden, beispielsweise durch Rippen oder Leitbleche (12) gebildeten Strömungskanälen versehen ist.
  4. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzutragende Wärme durch einen Gasbrenner (5) mit einer der Kontur der Trennwand (6) angepaßten glühenden Brennerfläche (5c) erzeugt wird.
  5. Wärme- und Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der heiße Kolben (8) mit einem der Kontur der gewölbten Trennwand (6) angepaßten Kolbenboden (8a) ausgebildet ist.
  6. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite der Trennwand (6) im Randbereich mit die Strömungsgeschwindigkeit erhöhenden, beispielsweise durch Rippen oder Leitbleche (11) gebildeten Strömungskanälen versehen ist.
  7. Wärme- und Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitung von der Trennwand (6) an das druckdichte Gehäuse (1) durch Isolierringe (7a, 7b) reduziert ist.
EP94926850A 1993-08-28 1994-08-19 Wärme- und kältemaschine Expired - Lifetime EP0665941B1 (de)

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